Доктор Сон Мук Чой и его исследовательская группа из Отдела исследований энергетических и экологических материалов Корейского института материаловедения (KIMS) успешно разработали высокопрочный катализатор выделения водорода на основе недрагоценных металлов для использования в системе прямого электролиза с использованием щелочных сточных вод и анионообменных мембран (AEM). Это достижение позволяет производить чистый водород, напрямую используя щелочные сточные воды, образующиеся в ходе промышленных процессов.

В частности, разработанный катализатор был применен в промышленной системе электролиза с одной ячейкой площадью 64 см² и продемонстрировал высокую эффективность производства водорода с ухудшением производительности менее чем на 5% даже после более чем 2000 часов непрерывной работы, что свидетельствует о больших перспективах для реального применения.

Сточные щелочные воды образуются в больших объёмах в процессе производства полупроводников и травления/очистки металлов. Однако из-за высокой стоимости очистки и потенциальной опасности для окружающей среды их повторное использование остаётся экономически неэффективным.

Электролиз воды с анионообменной мембраной (ЭАМВ) считается подходящим методом для прямого использования сточных щелочных вод без необходимости отдельной очистки. Тем не менее, примеси и ионы, содержащиеся в сточных водах, долгое время препятствовали электрохимическим реакциям при электролизе, значительно снижая эффективность производства водорода.

Исследовательская группа обнаружила, что граница раздела между никелем и оксидом церия обладает слабой энергией связи с ионами примесей, присутствующими в сточных щелочных водах. Этот вывод был теоретически подтвержден в ходе совместного исследования с группой профессора Мин Хо Со из Национального университета Пукён с использованием расчётов методом теории функционала плотности (DFT).

Кроме того, в сотрудничестве с командой профессора Чан Ён Ли из Университета Конкук исследователи разработали высокопрочную анионообменную мембрану, способную сохранять производительность даже в средах с высоким содержанием примесей.

В ходе этой разработки исследовательская группа создала гетероструктурный катализатор на основе недрагоценных металлов на основе никеля и оксида церия. Этот катализатор может быть непосредственно использован в системах электролиза воды, использующих сточные щелочные воды, без необходимости сложных процессов очистки. В результате группа совершила технологический прорыв, который не только снижает затраты на производство водорода, но и уменьшает загрязнение окружающей среды.

Традиционные системы электролиза на основе пресной воды требуют около 18 тонн сырой воды для производства 1 тонны водорода, из которой необходимо извлечь около 9 тонн сверхчистой воды. Стоимость очистки такого количества воды оценивается примерно в 2340 долларов США. Разработанная исследовательской группой «технология прямого электролиза сточных щелочных вод» позволяет использовать большие объёмы сточных щелочных вод без очистки, что значительно снижает стоимость производства водорода.

Исследовательская группа синтезировала гетероструктурный катализатор из недрагоценных металлов на основе оксидов никеля и церия, используя метод соосаждения, который позволяет легко организовать крупномасштабное производство путем растворения нескольких веществ и их одновременного осаждения.

Конечный катализатор был получен в результате двухэтапной термической обработки. Этот подход позволил сформировать множество кислородных вакансий и максимально усилить взаимодействие электронов с металлом и носителем (EMSI), что повысило как каталитическую эффективность, так и долговечность.

Кислородные вакансии способствуют более плавному потоку электронов, ускоряя реакцию выделения водорода (HER), а сильные взаимодействия между металлом и окружающими материалами повышают стабильность работы и эффективность катализатора.

Ожидается, что после коммерциализации эта технология ускорит достижение самодостаточности ключевых компонентов в будущих отраслях мобильности и энергетики, а также будет способствовать созданию новых рынков для чистого водорода. Опираясь на это достижение, исследовательская группа также работает над разработкой технологии AEMWE нового поколения, которая будет напрямую использовать морскую воду в качестве источника энергии.

Доктор Чой, ведущий научный сотрудник KIMS, заявил: «В ходе этого исследования мы продемонстрировали, что щелочную воду промышленных сточных вод можно эффективно перерабатывать для производства водорода, что значительно снижает производственные затраты, а также сводит к минимуму риск аварий, связанных с утечками при транспортировке сточных вод».

«Ожидается, что технология электролиза на основе непресной воды привлечет все большее внимание в области производства чистого водорода в будущем».